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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine an zumindest einer Zylinderlaufbuchse einer Verbrennungskraftmaschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen elektrischen Maschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
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Die
DE 199 23 067 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Erzeugen einer elektrischen Spannung an einem Zylinder, in dem ein Kolben bewegbar angeordnet ist, wobei zwischen einer inneren Zylinderwand und einer äußeren Zylinderwand eine Spule angeordnet ist und dass in dem Kolben mindestens ein Permanentmagnet angeordnet ist.
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Die
DE 199 45 216 A1 beschreibt in einem Kolbenmotorblock, isoliert um die Kolbenflächen, eingearbeitete Feldspulen, welche durch die Bewegung magnetisierter Kolben Induktionsspannungen erzeugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte elektrische Maschine an zumindest einer Zylinderlaufbuchse einer Verbrennungskraftmaschine und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer solchen elektrischen Maschine anzugeben.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine elektrische Maschine an zumindest einer Zylinderlaufbuchse einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine an zumindest einer Zylinderlaufbuchse einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei der elektrische Maschine an zumindest einer Zylinderlaufbuchse einer Verbrennungskraftmaschine, in welcher ein Kolben bewegbar angeordnet ist, ist der Kolben erfindungsgemäß zumindest abschnittsweise als Translator der elektrischen Maschine ausgebildet und zumindest eine Spule ist als zumindest ein Stator der elektrischen Maschine derart an der Zylinderlaufbuchse angeordnet, dass die elektrische Maschine nach dem Reluktanzprinzip arbeitet.
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Beim Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine an zumindest einer Zylinderlaufbuchse einer Verbrennungskraftmaschine, in welcher ein Kolben bewegbar angeordnet ist, wird die elektrische Maschine generatorisch oder elektromotorisch betrieben. Somit können ein herkömmlicher Generator und ein herkömmlicher Starter als separates Bauteil entfallen, so dass eine Komponentenanzahl der Verbrennungskraftmaschine und eine daraus resultierende Ausfallhäufigkeit und/oder -wahrscheinlichkeit signifikant reduziert ist.
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Bei Einsatz anderer elektrischer Zusatzkamponenten an der Verbrennungskraftmaschine, beispielweise Wasserpumpe und/oder Ölpumpe, kann ein kompletter Riementrieb der Verbrennungskraftmaschine entfallen, wodurch ein Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine erhöht ist.
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Vorteilhafterweise ist eine selektivere Steuerung und/oder Regelung der Stromerzeugung in einem Fahrzeug ermöglicht.
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Durch eine entsprechende Regelung der Stromerzeugung kann in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Kolben der Verbrennungskraftmaschine zur Stromerzeugung genutzt werden, welcher sich im Arbeitstakt befindet. Dadurch kann eine Laufruhe der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere bei geringer Drehzahl, erhöht werden.
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Besonders vorteilhafterweise sind zylinderspezifische Eingriffe in den Verbrennungsablauf der Verbrennungskraftmaschine auf höherem Leistungsniveau und/oder Momentenniveau möglich.
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Weiterhin sind mittels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine eine Minimierung der Betriebsgeräusche und/oder der Vibrationen der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine an zumindest einer Zylinderlaufbuchse einer Verbrennungskraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante und
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2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine an zumindest einer Zylinderlaufbuchse einer Verbrennungskraftmaschine in einer zweiten Ausführungsvariante.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 1 an zumindest einer Zylinderlaufbuchse 2 einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante.
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Die Verbrennungskraftmaschine ist dabei als herkömmlicher Kolbenmotor ausgebildet, welcher mit Gas, Benzin oder einem Dieselkraftstoff betrieben wird und ein Fahrzeug antreibt. Die Verbrennungskraftmaschine kann als Ein- oder Mehrzylindermotor ausgebildet sein, wobei an zumindest einer Zylinderlaufbuchse 2 eine elektrische Maschine 1 angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist jeder Zylinderlaufbuchse 2 der Verbrennungskraftmaschine eine elektrische Maschine 1 zugeordnet.
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Die Zylinderlaufbuchse 2 ist auf herkömmliche Art und Weise in einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet und zumindest abschnittsweise in nicht dargestellter Art und Weise von einem Kühlmittel umströmt. in der Zylinderlaufbuchse 2 ist ein korrespondierend zu selbiger ausgeformter Kolben 3 beweg- und/oder verschiebbar angeordnet. Der Kolben 3 ist mittels eines Pleuels 4 an einer Kurbelwelle 5 angeordnet, welche die translatorische Bewegung des Kolbens 3 in eine Rotationsbewegung wandelt.
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Erfindungsgemäß ist der Kolben 3 zumindest abschnittsweise als Translator 7 der elektrischen Maschine 1 ausgebildet, wobei zumindest eine Spule 6 als zumindest ein Stator der elektrischen Maschine 1 derart an der Zylinderlaufbuchse 2 angeordnet ist, dass die elektrische Maschine 1 nach dem Reluktanzprinzip arbeitet.
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Ein Reluktanzmotor ist eine Bauform eines Elektromotors, bei dem der Rotor aus einem weichmagnetischen Material, beispielweise Eisen, besteht und der Stator die Magnetspulen enthält. Der Rotor ist weder mit Permanentmagneten bestückt noch bestromt. Er besitzt ausgeprägte Pole aus weichmagnetischem Material. Eine Bewegung entsteht dadurch, dass das Rotor und Stator nach minimaler Reluktanz, auch als magnetischer Widerstand bezeichnet, streben.
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Der als Translator 7 ausgebildete Abschnitt des Kolbens 3 ist aus magnetisierbarem oder magnetfeldflussführendem Material gebildet. Dabei ist der als Translator 7 ausgebildete Abschnitt des Kolbens 3 insbesondere aus magnetisiertem Weicheisen gebildet.
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In einer ersten Ausführungsform durchdringt der Translator 7 den Kolben 3 stabförmig in Richtung seines Durchmessers von Kolbenseite zu Kolbenseite. Mit anderen Worten durchdringt der Translator 7 den Kolben 3 in Richtung des Magnetfeldes der Spule 6. Dabei ist der stabförmige Translator 7 oberhalb eines Pleuelauges im Kolben 3, angeordnet, wobei ein Kolbenbolzen senkrecht zum Magnetfeld der Spule 6 ausgerichtet ist.
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In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform umläuft der Translator 7 den Kolben 3 ringförmig und kann beispielsweise in einer Nut im Kolben 3 als Kreisring an einer Innen- oder Außenseite des Kolbens 3 angeordnet sein.
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Der Translator 7 kann einen kreisrunden oder ovalen Querschnitt aufweisen.
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In einer ersten Ausführungsvariante kann der Translator 7 einteilig mit dem Kolben 3 ausgeformt, beispielsweise in den Werkstoff des Kolbens 3 eingegossen sein.
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In einer zweiten Ausführungsvariante kann der Translator 7 als separates Bauteil am Kolben 3 angebracht oder in den Kolben 3 eingebracht sein.
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Die Spule 6 umfasst einen Spulenkern 8, dessen Stirnseiten 9 einander gegenüberliegend in oder an der Zylinderlaufbuchse 2 angeordnet sind, wobei der Spulenkern 8 die Zylinderlaufbuchse 2 außenseitig umläuft. Der Spulenkern 8 kann ringförmig, kreisförmig, oval oder rechteckig ausgebildet sein, so dass eine herkömmliche Kreis-, Oval- oder Rechteckspule ausgeformt ist. Die Spule 6 ist bevorzugt flach ausgeformt, so dass sich eine geringe Aufbauhöhe an der Zylinderlaufbuchse 2 ergibt.
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Zur Verbesserung des Magnetfeldflusses zwischen Spulenkern 8 und Translator 7 ist der Spulenkern 8 als herkömmliches Rückfuhrjoch ausgebildet, welches abschnittsweise in der Spule 6 angeordnet ist und die Zylinderlaufbuchse 2 außen in Richtung auf die gegenüberliegende Seite der Zylinderlaufbuchse 2 umläuft, um dort den Magnetfluss zwischen Spulenkern 8 und Translator 7 zu schließen.
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In einer ersten Ausführungsvariante umläuft der Spulenkern 8 die Zylinderlaufbuchse 2 seitlich.
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In einer zweiten Ausführungsvariante umläuft der Spulenkern 8 die Zylinderlaufbuchse 2 im unteren Bereich.
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In einer dritten Ausführungsvariante verläuft der Spulenkern 8 senkrecht zu Kurbelwelle 5 unterhalb um diese herum. Dabei passiert der Spulenkern 8 die Kurbelwelle 5 auf gleicher axialer Länge wie oben die Spule 6 angeordnet ist.
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In einer ersten Ausführungsform ist an einem Ende des Spulenkerns 8 eine einzelne Spule 6 angeordnet. Die Spule 6 ist bevorzugt auf einer Seite im Bewegungsbereich des Kolbens 3, insbesondere im Bereich des Translators 7, angeordnet. Dabei verläuft der Bewegungsbereich des Kolbens 3 auf herkömmliche Art und Weise zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT.
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In einer zweiten, nicht dargestellten Ausführungsform ist an jedem Ende des Spulenkerns 8 jeweils eine Spule 6 angeordnet. Dabei sind die Spulen 6 auf gegenüberliegenden Seiten der Zylinderlaufbuchse 2 gleich ausgebildet und es werden insbesondere zwei gleiche Spulen 6 nach Art einer herkömmlichen Helmholtz-Spuke auf dem Spulenkern 8 angeordnet.
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Die Spule 6 oder die Spulen 6 sind mit einer Steuereinheit 10 elektrisch gekoppelt.
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Zur weiteren Erhöhung der von der elektrischen Maschine 1 abgebbaren Spannung oder der aufbringbaren Kraft und/oder einer Steuerungspräzision können mehrere Spulen 6 in Richtung einer Zylinderachse Z oder in Bewegungsrichtung des Kolbens 3 übereinander an oder in der Zylinderlaufbuchse 2 angeordnet werden. Dabei erfolgt eine Ansteuerung der einzelnen Spulen 6 zu unterschiedlichen Zeiten, beispielsweise in Abhängigkeit der unterschiedlichen Deckungszeiten zwischen der jeweiligen Spule 6 und dem Translator 7 im Kolben 3.
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2 zeigt eine solche schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 1 an zumindest einer Zylinderlaufbuchse 2 einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine.
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Die Spule 6 oder die Spulen 6 sind in Längsrichtung einer Zylinderbank der Verbrennungskraftmaschine seitlich an der jeweiligen Zylinderlaufbuchse 2 angeordnet, so dass sie nicht im Zylindersteg zwischen zwei benachbarten Zylinderlaufbuchsen 2 angeordnet sind.
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Durch die beschriebene Anordnung der Spulen 6 ist deren Magnetfeld senkrecht zur Zylinderbank und/oder zu einer Kurbelwellenachse A ausgebildet.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Spule 6 zweiteilig ausgeformt sein.
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Bevorzugt sind die Stirnseiten 9 des Spulenkerns 8 und der Translator 7 korrespondierend zueinander ausgerichtet. Dabei weisen Translator 7 und Spulenkern 8 besonders bevorzugt eine gleiche Querschnittsfläche auf, welche in einer entsprechenden Kolbenposition in der Zylinderlaufbuchse 2 koaxial deckungsgleich angeordnet sind.
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In einer ersten Ausführungsvariante sind die Bereiche der Zylinderlaufbuchse 2, in oder an denen die Stirnseiten 9 des Spulenkerns 8 angeordnet sind, aus elektrisch nicht leitendem und magnetisch leitendem Material gebildet.
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In einer zweiten Ausführungsvariante ist ein gesamter Laufbereich der Zylinderlaufbuchse 2 aus elektrisch nicht leitendem und magnetisch leitendem Material gebildet.
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Ein solches elektrisch nicht leitendes und magnetisch leitendes Material kann beispielsweise ein keramischer Werkstoff sein.
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Durch die Verwendung eines solchen Materials ist eine Wirbelstrombildung innerhalb der Zylinderlaufbuchse 2 und eine daraus resultierende Wirkungsgradminderung der elektrischen Maschine 1 verhindert.
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Beispielsweise kann in der Zylinderlaufbuchse 2 eine mit der jeweiligen Stirnseite 9 des Spulenkerns 8 korrespondierende Aussparung eingebracht sein, in welcher das elektrisch nicht leitende und magnetisch leitende Material angeordnet ist. Dabei werden Aussparung und Material vor eine Zylinderfeinbohrung und/oder Polierung in die Zylinderlaufbuchse 2 eingebracht, um die Entstehung von Graten zu verhindern.
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Der Spulenkern 8 ist im Laufbereich des Kolbens 3 in der Zylinderlaufbuchse 2 angeordnet, wobei sich der Laufbereich an einen zwischen Zylinderkopf und Kolbenoberseite ausbildbaren Brennraumbereich anschließt. Dadurch hat der Spulenkern 8 keinen Kontakt zum Brennraum und wird nicht mit heißen Brennraumgasen beaufschlagt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an einer jeden Zylinderlaufbuchse 2 eine elektrische Maschine 1 angeordnet, so dass unterschiedliche Relativpositionen zwischen den jeweiligen Translatoren 7 und Spulen 6 vorhanden sind und immer eine geeignete Relativbewegung erzeugbar ist.
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Bei der Durchführung des Verfahrens kann die elektrische Maschine 1 mittels der Steuereinheit 10 gesteuert oder geregelt generatorisch oder elektromotorisch betrieben werden.
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Wird im elektromotorischen Betrieb eine Spannung an die Spule 6 angelegt, erzeugt die Spule 6 ein Magnetfeld M, welches durch den als Rückfuhrjoch ausgebildeten Spulenkern 8 von einer Seite der Zylinderlaufbuchse 2 um selbige herum auf die andere Seite Zylinderlaufbuchse 2 geführt wird. Dabei durchläuft das Magnetfeld M die Zylinderlaufbuchse 2 geradlinig und wird derart geschlossen.
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Durch ein Steuern oder Regeln der an die Spule 6 angelegten Spannung und den daraus resultierenden Magnetfeldaufbau wird der Translator 7 und somit der Kolben 3 in den vom Magnetfeld M durchdrungenen Bereich der Zylinderlaufbuchse 2 hineingezogen. Durch ein Ansteuern der Spule 6 an einer Zylinderlaufbuchse 2 und ein daraus resultierendes Hineinziehen des Kolbens 3 in den Bereich des Magnetfelds M und somit einer Bewegung des Kolbens 3 in einem Zylinder, kann ein anderer Kolben 3 aus einem Deckungsbereich der Spule 2 in einem anderen Zylinder herausgeschoben werden. Durch ein entsprechendes Ansteuern mehrere Spulen 6 an verschiedenen Zylindern eines Kolbenmotors können die Kolben 3, die über eine Kurbelwelle verbunden sind, in den Zylinderlaufbuchsen 2 in jede Richtung bewegt werden.
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Auf diese Weise kann der Kolben 3 je nach Position und Betriebsmodus durch eine Spannungsänderung bewegt werden.
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Bei einem Mehrzylindermotor, beispielsweise einem Vierzylindermotor, ist es bedingt durch die unterschiedlichen Relativpositionen der Kolben 3 zueinander und zur jeweiligen Spule 6 möglich, durch eine Steuerung oder Regelung der Spannung zumindest einen Translator 7 aus einem Magnetfeld M zu bewegen. Auf diese Weise wird ein mit dem betreffenden Translator 7 gekoppelter Kolben 3 bewegt und verdichtet eine Verbrennungsluft in einem Brennraum oder ein Verbrennungsgemisch, so dass die Verbrennungskraftmaschine auf herkömmliche Weise gestartet wird.
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Im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 werden die Kolben 3 in herkömmlicher Weise durch die Verbrennung von Kraftstoff in den Zylinderlaufbuchsen 2 bewegt. Dabei wird der Translator 7 an der entsprechenden Spule 6 vorbeibewegt, wodurch eine Spannung in die Spule 6 induziert wird.
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Bewegt sich nun ein Kolben 3 in der betreffenden Zylinderlaufbuchse 2 auf und ab, durchfährt der Translator 7 immer wieder das Magnetfeld M und induziert durch die Flächenänderung des mit Magnetfeld M durchdrungenen Bereiches eine Spannung in der Spule 6, welche an dieser abgegriffen und einer Verwendung im Fahrzeug zugeleitet werden kann.
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Eine Steuerung oder Regelung der Spannung erfolgt abhängig von der Position des Kolbens 3 oder der Kolben 3, der Bewegung, der Bewegungsrichtung, der Geschwindigkeit und der Querschnittsflächen von Spulenkern 8 und Translator 7, so dass immer die sogenannten Halbphasen der Bewegung genutzt werden.
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Dabei dringt der Translator 7 in der ersten Halbphase in das Magnetfeld M ein, so dass eine Veränderung von keiner Flächenüberdeckung von Spulenkern 8 und Translator 7 hin zur vollen Überdeckung der beiden Querschnittsflächen von Spulenkern 8 und Translator 7 erfolgt.
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In der zweiten Halbphase wird der Translator 7 aus dem Magnetfeld M herausbewegt, so dass eine Veränderung von einer vollen Überdeckung der beiden Querschnittsflächen von Spulenkern 8 und Translator 7 hin zur keiner Flächenüberdeckung von Spulenkern 8 und Translator 7 erfolgt.
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Hierbei können die beiden Querschnittsflächen von Spulenkern 8 und Translator 7 gleich groß sein und an einer Kolbenposition koaxial angeordnet sein. Daraus resultiert eine besonders effektive Ausnutzung des Magnetfeldes M und des Translators 7.
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In alternativen Ausführungsvarianten können die Querschnittsflächen von Spulenkern 8 und Translator 7 unterschiedlich groß ausgebildet und derart angeordnet sein, dass in mehreren Positionen die kleinere Querschnittsfläche von der größeren völlig überdeckt wird.
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Die Zeiträume der Bewegung des Kolbens 3, in welchen keine effektive Flächenänderung des Magnetfelddurchgangs entsteht und so auch keine Induktion oder Krafterzeugung entsteht, werden als Totzeit bezeichnet. Diese Totzeiten sind für die Steuerung oder Regelung des Verfahrens besonders vorteilhaft, da das Magnetfeld nicht beliebig schnell abgeschaltet werden kann und eine solche Abschaltung von der Totzeit unterstützt wird.
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Weiterhin ist im Verfahren sowohl bei generatorischem als auch bei elektromotorischem Betrieb der elektrischen Maschine 1 eine Abschaltung des Magnetfeldes M vorgesehen, wenn der Translator 7 völlig in den Magnetfluss des Magnetfeldes M eingetreten ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Zylinderlaufbuchse
- 3
- Kolben
- 4
- Pleuel
- 5
- Kurbelwelle
- 6
- Spule
- 7
- Translator
- 8
- Spulenkern
- 9
- Stirnseite
- 10
- Steuereinheit
- Z
- Zylinderachse
- OT
- oberer Totpunkt
- UT
- unterer Totpunkt
- A
- Kurbelwellenachse
- M
- Magnetfeld
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19923067 A1 [0002]
- DE 19945216 A1 [0003]
